Теоретические предпосылки

Под твердостью металла понимают сопротивление проникновению в его поверхность стандартного тела – наконечника (индентора), например шарика, конуса и т.п., не деформирующегося при испытании.

Твердость измеряют многими методами, например: вдавливанием наконечника, царапанием испытуемой поверхности алмазным острием под определенной нагрузкой и т.п. Общим для всех методов определения твердости является создание местных контактных напряжений при воздействии стандартного наконечника на испытуемую поверхность. Методы измерения твердости получили широкое применение благодаря простоте и надежности оборудования, небольших затрат времени для проведения испытаний, а также возможности проводить испытания на готовых деталях (изделиях) без их разрушения. Испытание на твердость – основной метод оценки качества термической обработки изделия.

Наибольшее распространение на практике получили методы Бринелля, Роквелла, Виккерса и метод микротвердости.

ТВЕРДОСТЬ ПО БРИНЕЛЛЮ (ГОСТ 9012-59) определяют статическим вдавливанием в испытуемую поверхность нагрузкой Р стального закаленного шарика диаметром D. Число твердости НВ определяют отношением нагрузки Р к площади сферической поверхности отпечатка – лунки F (шарового сегмента) диаметром d:            

 (кгс/мм²).

Диаметр шарика D = 10; 5; 2,5 мм выбирают в зависимости от толщины изделия. Для небольших изделий учитывают также размеры поверхности для измерения, так как расстояние от центра отпечатка до края изделия должно составлять не менее 2,5 мм.

Нагрузку Р выбирают в зависимости от диаметра шарика и измеряемой твердости, которую приблизительно оценивают с учетом природы сплава и способа его обработки: для термически обработанной стали и чугуна Р = 30 D², для литой бронзы и латуни Р = 10 D², для алюминия и других очень мягких металлов Р = 2,5 D².

Продолжительность выдержки под нагрузкой для стали и чугуна составляет 10 с, для латуни и бронзы 30 с.

Так как значение D и значение Р заранее известны, то для определения твердости необходимо лишь измерить диаметр отпечатка (d) и найти соответствующую ему твердость по таблицам ГОСТ 9012-59.

При испытании часто принимают D = 10 мм, Р = 3000 кгс, продолжительность 10 с. Твердость в этом случае обозначают НВ 250, НВ 300 и т.д., где 250, 300 – числа твердости.

В этом обозначении: Н – начальная буква от слова Hazdness – твердость; В – первая буква слова Brinell.

Размерность числа твердости, как правило, не указывают. При других условиях испытания твердость обозначают НВ D/P/t, так, например: 80 НВ 5/ 250/30. Это означает, что твердость измерена шариком D = 5 мм при нагрузке Р = 250 кгс и продолжительности выдержки 30 с, полученное число твердости 80 кгс/мм².

Между временным сопротивлением разрыву и числом твердости НВ для различных металлов установлена следующая примерная зависимость: для стали d_в ~ 0,34 – 0,35 НВ, для медных отожженных сплавов d_в ~ 0,55 НВ, для алюминиевых сплавов d_в ~ 0,35 – 0,36 НВ.

 

ТВЕРДОСТЬ ПО РОКВЕЛЛУ (ГОСТ 9013-59) также основан на статическом вдавливании под определенной нагрузкой в испытуемую поверхность наконечника из твердого материала. В качестве наконечников для отожженной стали и других материалов с твердостью до НВ 230 применяют стальной закаленный шарик (D = 1,6 мм), для более твердых материалов – алмазный конус с углом при вершине в 120°. Нагружение наконечников проводится в два этапа. Предварительное – нагрузкой Р_о = 10 кгс, при этом наконечник вдавливается на глубину h_о мм. Далее нагрузка увеличивается. При испытаниях с помощью стального шарика общая рабочая нагрузка составляет 100 кгс, при испытаниях с помощью алмазного конуса она может составлять 150 кгс или 60 кгс.

Таким образом, в методе Роквелла используется три вида испытаний, как часто говорят, испытания могут проводиться по трем шкалам:

- 1 – испытания стальным шариком с Р = 100 кгс – испытания по шкале В;

- 2 – испытания алмазным конусом с Р = 60 кгс – испытания по шкале А;

- 3 – испытания алмазным конусом с Р = 150 кгс – испытания по шкале С.

Во всех трех случаях твердость выражается в условных единицах и определяется с учетом глубины вдавливания наконечника h мм, находящегося под общей нагрузкой Р по формулам:

                 HRB = 130 – (h - h_o /0,002), шкала В;

                 HRA = 100 – (h - h_o/0,002), шкала А;

                 HRC = 100 – (h - h_o/0,002), шкала С,

где 0,002 мм – цена деления шкалы индикатора-глубиномера.

В обозначении твердости: Н – твердость; R – первая буква слова Роквелл; В, А, С – обозначают вид шкалы, по которой проводились испытания.

Таким образом, обозначение 30 HRB расшифровывается следующим образом: твердость в 30 условных единиц по Роквеллу при испытаниях по шкале В;

55 HRC – твердость в 55 условных единиц по Роквеллу при испытаниях по шкале С и т.д.

Следует отметить, что шкала А обычно используется для измерения твердости очень твердых материалов.

Между значениями  HRA и НRC имеется следующая зависимость:

                              HRC = 2 HRA – 104.

Преимуществом способа Роквелла является быстрота измерений. Применение алмазного конуса позволяет измерять твердость закаленной стали и других очень твердых материалов, тонких изделий или поверхностного слоя толщиной до 0,4 мм (шкала А) и до 0,7 мм (шкалы В и С).

Недостатком измерения твердости по методу Роквелла является то, что при испытаниях иногда необходима дополнительная подготовка поверхности – шлифование. На показания прибора Роквелла, где глубина отпечатка мала и ее измеряют с точностью до 0,02 мм (цена деления – условная единица твердости), могут оказывать влияние загрязненность поверхности, вибрация и другие условия производства.

ТВЕРДОСТЬ ПО ВИККЕРСУ (ГОСТ 2999-75) определяют путем статического вдавливания в испытуемую поверхность алмазной четырехгранной пирамиды с углом a = 136° между противоположными гранями. Число твердости определяют так же, как и в способе Бринелля, отношением нагрузки Р к площади боковой поверхности отпечатка F:

,

где d – диагональ отпечатка;

  Р – нагрузка (5 – 120) кгс.

При испытании измеряют обе диагонали отпечатка d₁ и d₂ с точностью до 0,001 мм при помощи микроскопа, который является составной частью прибора Виккерса. Числа твердости определяют, как среднеарифметическое значение (d₁ + d₂) / 2 обеих диагоналей.

При испытаниях по Виккерсу применяют нагрузки в 1, 3, 5, 10, 30, 50, 100, 120 кгс. Чем больше выбранная нагрузка, тем глубже проникает алмазная пирамида в испытуемый материал. В этой связи для измерения твердости фольги или поверхностных тонких слоев применяют небольшие нагрузки 1–10 кгс. Испытания по Виккерсу могут быть применены для измерения твердости образцов толщиной 0,3 – 0,5 мм и поверхностных слоев до 0,03 – 0,05 мм.

Испытания по Виккерсу при нагрузке в 30 кгс и времени выдержки 15 сек считаются стандартными, твердость по Виккерсу в этом случае обозначается, например: 420 HV, где Н – твердость; V – первая буква слова Виккерс; 420 – значение твердости по Виккерсу в кгс/мм².

При других условиях испытаний после букв HV указывается нагрузка и время ее выдержки, например: 450 HV 10/40 – твердость 450 кгс/мм² по Виккерсу, полученная при нагрузке 10 кгс и времени выдержки 40 с.

Преимуществом метода Виккерса является возможность измерения твердости мягких, а также особо твердых материалов. Этим методом можно измерять твердость очень тонких изделий, а также твердость поверхностных слоев, например: при обезуглероживании, поверхностном наклепе, цементации и т.д. Из-за большого угла в вершине наконечника-пирамиды, даже при малой глубине ее внедрения, диагональ отпечатка имеет большое значение, что определяет высокую точность и чувствительность метода.

ИСПЫТАНИЯ НА МИКРОТВЕРДОСТЬ (ГОСТ 9450-76) предназначен для определения твердости отдельных структурных составляющих и фаз сплавов (например, зерен феррита в стали) и очень тонких поверхностных слоев (сотые доли миллиметра). По существу, метод микротвердости мало отличается от метода Виккерса. Различие состоит лишь в том, что наконечник – четырехгранная пирамида – имеет меньшие размеры, и нагрузки при ее вдавливании составляют от 5 до 500 гс.

Метод микротвердости широко применяется для измерения твердости гальванических покрытий. Испытания микротвердости проводят микротвердомером ПМТ-2 или ПМТ-3 в соответствии с ГОСТ 9450-76. Измерение микротвердости на приборе ПМТ-3 основано на вдавливании четырехгранной пирамиды с квадратным основанием и углом при вершине 136° при нагрузке от 0,005 до 0,5 кгс. При этом определяют длину диагонали отпечатка и рассчитывают условную площадь его боковой поверхности. Частное от деления приложенной нагрузки на площадь указанной поверхности называют числом твердости и выражают в кгс/мм².

Пример обозначения микротвердости: 650 НV 0,1/30 – микротвердость 650 кгс/мм², определенная вдавливанием четырехгранной пирамиды с квадратным основанием при нагрузке в 0,1 кгс и длительности ее приложения 30 с.

Микротвердость гальванического покрытия можно определять вдавливанием алмазной пирамидки либо перпендикулярно слою покрытия, либо параллельно ему, т.е. в торец покрытия. Первый из этих способов удобнее, так как не надо готовить микрошлифы. Кроме того, при вдавливании пирамиды в торец покрытия толщина его должна быть больше 10 мкм (при длине диагонали отпечатка 10 мкм), а при вдавливании перпендикулярно слою покрытия глубина погружения алмазной пирамидки с углом при вершине 136° составляет 10:7 = 1,43 мкм, следовательно, измерение можно выполнять при меньшей толщине покрытия.

На результаты измерения микротвердости большое влияние оказывает подготовка поверхности образца к испытанию. При шлифовании и полировании покрытия происходит наклеп, повышающий твердость поверхностных слоев. Толщина наклепанных слоев для каждого вида покрытия различна. Так, для никеля толщина деформированного слоя не превышает 2 мкм, для меди – 3 мкм, для железа – 7 мкм. Для снятия наклепа применяют электрополирование.

Для правильного определения микротвердости гальванических покрытий необходимо также знать минимальную толщину слоя покрытия, при которой металл основы не влияет на точность измерений. Н.П. Федотов и П.М. Вячеславов установили, что минимальная толщина покрытия, при которой обеспечивается правильное измерение микротвердости, зависит от твердости металлов покрытия и основы, а также от нагрузки при вдавливании. Ими предложены следующие формулы для расчета минимальной толщины гальванического покрытия, при которой возможно измерение микротвердости покрытия методом вдавливания:

- если основа мягче покрытия, то L = (Н₁ – Н₂) d/420;

- если основа тверже покрытия, то L = (Н₂ – Н₁) d/420,

где L – минимальная толщина гальванического покрытия, мкм; Н₁ и Н₂ – число микротвердости соответственно металла покрытия и основы при диагонали отпечатка 10 мкм; d – измеренная длина диагонали отпечатка, мкм.

Ход работы

 

Работа начинается с ознакомления с методами измерения твердости, конструкциями твердомеров и ГОСТами, регламентирующими измерение твердости (ГОСТ 9012-59, ГОСТ 9013-59, ГОСТ 2999-75 ГОСТ 9450-76). Далее в соответствии с заданием и выданными для испытания образцами выбирается тип твердомера и условия испытаний. На каждом образце проводится не менее трех измерений.